基于声学脉冲响应的麦克风阵列室内几何重构关键技术研究

来源 :桂林电子科技大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:hongwei3330857
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基于多种传感器的室内定位技术已发展成熟,为室内位置服务提供用户位置信息。这些应用的发展建立在室内地图已知的基础上,对于室内几何结构未知的情况,可以通过基于声学脉冲响应(Acoustic Impulse Responses,AIRs)的麦克风阵列室内几何重构技术得到室内地图。针对室内环境下噪声及混响干扰造成AIRs的波达时间(Time of Arrival,TOA)模糊,导致现有麦克风阵列室内几何重构技术存在的测量繁琐、高计算复杂度等缺点,本文提出一种基于椭圆约束模型完成反射面估计的室内几何重构技术。该技术基于到达时间差(Time Difference of Arrival,TDOA)迭代估计声源位置并计算准确的各阶反射TOAs;随后基于声收发设备与一阶反射TOA关于反射面的椭圆约束关系,结合可信度判断与改进霍夫变换算法,筛选可信低阶TOAs以实现室内反射面的二维位置估计。论文完成的工作包括:(1)针对混响环境下难以从AIRs中检测提取多径TOAs的问题,使用具有一定抗干扰能力的指数正弦扫频信号(Exponentially-swept Sine Signal,ESS),使用包络减去拟合曲线的方式进一步突出AIRs包络中待检测的脉冲波形,并采用带阈值的峰值检测方式提取多径TOAs。(2)考虑收发异步和麦克风阵元分布对声源、反射面位置估计精度的影响,使用分布式麦克风阵列扩大反射点的空间分布范围,并利用基于TDOA的列文伯格-马夸尔特(Levenberg-Marquardt,L-M)声源定位算法对声源位置进行迭代估计,为后续算法提供更准确的多径反射时延估计。(3)基于反射面与多径椭圆约束的位置关系和可信度判断筛选出AIRs中的可信一阶多径TOAs,并通过霍夫变换与最小二乘法结合的方式进一步剔除噪声和无关TOAs信息的影响,对易受噪声干扰且仅能实现单一反射面估计的经典公切线算法(COmmon Tangent Algorithm,COTA)的估计结果进行修正,提供更为准确的重构结果。(4)对论文提出的室内几何重构技术进行计算机仿真和真实房间实验,验证其有效性,测试其重构性能。蒙特卡洛仿真结果表明在混响时间RT60为0.1347s、AIR误差标准差为2.27×10-3ms的大小为10×8×4m复杂室内环境中,墙面定位平均距离误差为10.1cm,平均角度误差为2.7958°。在大小为5.26×3.5×3.35m的真实房间中,该方法可以实现声源与墙体的分步定位,完成盒型房间的二维几何重构,且与经典COTA法对比,墙面定位平均距离误差从4.38cm降至2.6cm,平均角度误差从2.89°降至2.17°。
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